大數(shù)據(jù)中心芯片級非接觸液冷高效節(jié)能技術(shù)

作者：蘭洋科技????瀏覽量：5167????時間：2023年05月14日????標簽: 液冷系統(tǒng) 風冷散熱節(jié)能減排

瞄準新基建數(shù)據(jù)中心大規(guī)模發(fā)展過程中引發(fā)的高熱流密度高能耗難題，提出數(shù)據(jù)中心芯片級非接觸液冷高效節(jié)能技術(shù)，其核心原理是利用自主研發(fā)的高導熱能力熱管(熱管導熱能力是普通銅管的20~50倍)將服務器主要發(fā)熱芯片的熱量傳到到服務器外部(一級熱循環(huán))，內(nèi)循環(huán)熱量工質(zhì)通過中間換熱器與外循環(huán)冷卻工質(zhì)進行熱交換(二級熱循環(huán))，外循環(huán)受熱工質(zhì)最終通過外置冷卻塔將熱量散發(fā)到外界環(huán)境中(三級熱循環(huán))，如圖1所示，可以有效減小65%精密空調(diào)數(shù)量，實現(xiàn)節(jié)能20%以上，最高可至40%。

圖1 數(shù)據(jù)中心芯片級非接觸液冷系統(tǒng)原理圖

通過外部液冷循環(huán)系統(tǒng)的三級熱交換快速帶走芯片熱量的方法，在滿足PUE值降低至1.2以下這個主要目標的同時，與目前數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)風冷散熱技術(shù)、冷板式直接液冷以及噴射式和浸沒式為代表的接觸式液冷散熱系統(tǒng)來說，成果具有綠色節(jié)能、技術(shù)先進、智能運行、安全可靠以及運維簡單五大優(yōu)勢，具體如下：

(1)綠色節(jié)能

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)以及AI技術(shù)等新一代信息技術(shù)的快速演進，數(shù)據(jù)中心呈高熱流密度高能耗的趨勢發(fā)展，降耗節(jié)能成為新一代數(shù)據(jù)中心的主要發(fā)展方向。2017年1月國務院印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案，明確要求“新建大型云計算數(shù)據(jù)中心能源利用效率(PUE)值優(yōu)于1.5”目標；2019年1月國家工信部發(fā)布《關(guān)于加強綠色數(shù)據(jù)中心建設的指導意見》，指出新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的PUE值達到1.4以下。在國家政策下，北京、上海、深圳、杭州等地陸續(xù)推出各自的數(shù)據(jù)中心建設標準，2020年廣東省工信廳[2020]73號文規(guī)定數(shù)據(jù)中心PUE<1.25優(yōu)先建設。盡管各地方標準各不一樣，但基本上都要求新建數(shù)據(jù)中心PUE限制在1.4以下。

目前現(xiàn)有風冷數(shù)據(jù)中心的PUE值普遍在12.0或以上，采用本項目的熱管液冷技術(shù)可以將數(shù)據(jù)中心PUE值降低到1.2或以下，相當于在相同運算功耗下，本項目產(chǎn)品比現(xiàn)有風冷數(shù)據(jù)中心至少節(jié)省30%的能耗，實現(xiàn)在相同運算性能的前提下更加節(jié)能。

(2)技術(shù)先進

本團隊主要從事熱管研發(fā)，經(jīng)歷十余年的技術(shù)發(fā)展與不斷改進，目前團隊已經(jīng)具有非常完善、成熟的熱管設計與制造技術(shù)，目前在數(shù)據(jù)中心熱管間接液冷系統(tǒng)及其核心部件方面申請了51項專利，其中國際PCT1件，發(fā)明專利25件，實用新型專利19件和軟件著作權(quán)7件。

本研究團隊聯(lián)合中國移動以及多家企業(yè)攻關(guān)，于2016年在中國移動南方基地進行了數(shù)據(jù)中心熱管液冷散熱系統(tǒng)應用示范，實現(xiàn)PUE值低于1.2，技術(shù)成熟。該應用示范項目經(jīng)過工信部7位兩院院士和12位業(yè)界權(quán)威鑒定，結(jié)論是數(shù)據(jù)中心熱管液冷技術(shù)具有國際領先水平。

(3)智能運行

本項目開發(fā)的液冷系統(tǒng)能實時采集CPU負載、服務器發(fā)熱狀態(tài)，環(huán)境溫度等信息，依據(jù)這些信息，智能化分配冷卻液流量配比，動態(tài)調(diào)節(jié)液冷系統(tǒng)的循環(huán)水泵、散熱風機等轉(zhuǎn)速，以最低的運行功率滿足服務器的散熱需求。與服務器聯(lián)動，自動與服務器同步開啟或關(guān)閉。運維人員可遠程實時監(jiān)控機房運行狀態(tài)，運行的異常狀態(tài)還可通過短信、小程序等渠道及時通知運維人員。另外，建立云端數(shù)據(jù)庫，讓運維人員可查詢歷史運行數(shù)據(jù)，通過歷史大數(shù)據(jù)，還能提前預警可能的失效風險，讓運維人員可提前進行檢修。

(4)安全可靠

冷板式直接液冷是目前數(shù)據(jù)中心應用較多的液體冷卻方式，即通過泵驅(qū)動冷卻工質(zhì)流過與芯片直接接觸的管道進行熱交換進而帶走芯片上的熱量，但冷卻工質(zhì)直接進入服務器內(nèi)部流動，容易引起泄露而導致整個服務器損壞，這種安全隱患是目前服務器用戶最不能接受的，也成為冷板式直接液冷推廣應用的最大阻礙。

本項目產(chǎn)品通過高效傳熱元件熱管將服務器主要發(fā)熱芯片的熱量傳到服務器外部，然后通過外置式液冷循環(huán)系統(tǒng)將熱量快速帶走，避免液體工質(zhì)與電子設備的直接接觸，減少液體工質(zhì)對電子設備的腐蝕，降低由于直接接觸而造成電子設備短路等風險。

另外，采用間接液冷技術(shù)，冷卻液不進入服務器內(nèi)部，可以有效避免液體泄漏導致電子設備損壞的風險，產(chǎn)品更加安全可靠。

(5)運維簡單

目前噴淋式和浸沒式等為代表的接觸式液體冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心均有商業(yè)部署應用實例，噴淋式液冷是將非導電液體直接噴射在服務器主板上，浸沒式液冷則是將整個服務器浸泡在裝有非導電液體的專有機箱內(nèi)。但接觸式液冷系統(tǒng)需要采用專用服務器機箱，系統(tǒng)復雜導致改造困難和后期運維復雜，同時受液冷系統(tǒng)部署和改造方面的成本較高、芯片或服務器廠商的技術(shù)協(xié)議等原因影響，接觸式液體冷卻系統(tǒng)目前在數(shù)據(jù)中心冷卻領域應用推進緩慢。